DE102006062375B4 - Arrangement and method for removing impurities or modifying surfaces of substrates by means of electrical arc discharge - Google Patents

Abstract

Anordnung zur Entfernung von Verunreinigungen oder Modifizierung von Oberflächen von Substraten mittels elektrischer Bogenentladung, bei der Bogenentladungen zwischen der jeweiligen Oberfläche des als Kathode geschalteten Substrats und einer in einem Abstand zum Substrat angeordneten Anode initiiert werden, wobei die Oberfläche des Substrats (1) und Anode (2) mit dem Gehäuseelement (5) relativ zueinander bewegbar sind, und dabei die Oberfläche des Substrats (1) größer als die wirksame Anodenfläche ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Anode (2) ein im Inneren hohles Gehäuseelement (5) elektrisch isoliert daran befestigt ist, mit dem Gehäuseelement (5) zwischen der Oberfläche des Substrats (1) und der Anode (2) ein Bearbeitungsraum für die Bogenentladung ausgebildet ist, mit dem die elektrische Bogenentladung und der Fluss von Elektronen in seiner Fläche begrenzt werden, und die Anode (2) mit Graphit gebildet ist.An arrangement for removing impurities or modifying surfaces of substrates by means of electrical arc discharge, in which arc discharges are initiated between the respective surface of the cathode-connected substrate and an anode spaced from the substrate, wherein the surface of the substrate (1) and anode ( 2) with the housing element (5) are movable relative to each other, and thereby the surface of the substrate (1) is greater than the effective anode area, characterized in that at the anode (2) a hollow housing member inside (5) electrically insulated therefrom is fixed, with the housing member (5) between the surface of the substrate (1) and the anode (2) a processing space for the arc discharge is formed, with which the electric arc discharge and the flow of electrons are limited in its surface, and the anode (2) is formed with graphite.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Entfernung von Verunreinigungen oder Modifizierung von Oberflächen von Substraten mittels elektrischer Bogenentladung. Sie kann dabei vor der eigentlichen Durchführung von Beschichtungsprozessen im Vakuum, für eine Entzunderung, Entfettung, den Abtrag von Verunreinigungen auf Oberflächen von Substraten, aber auch bei einer Oberflächenmodifizierung für beispielsweise eine Aufrauung eingesetzt werden.The invention relates to an arrangement and a method for the removal of impurities or modification of surfaces of substrates by means of electrical arc discharge. It can be used before the actual performance of coating processes in vacuum, for descaling, degreasing, the removal of impurities on surfaces of substrates, but also in a surface modification for example, a roughening.

Es ist bekannt, Oberflächen unterschiedlichster elektrisch leitender Substrate mit Hilfe elektrischer Bogenentladungen zu behandeln. Dabei ist das jeweilige Substrat üblicherweise als Kathode geschaltet und die Bogenentladung wird mit Hilfe einer in einem Abstand zur Oberfläche des Substrats gehaltenen Anode initiiert. Bei den bekannten Lösungen ist es aber nicht bzw. nur sehr schwer möglich, den jeweiligen Einflussbereich der elektrischen Bogenentladung auf der Substratoberfläche definiert einzuhalten oder auch nur einzugrenzen. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass die Brennflecke bzw. Fußpunkte der Bogenentladung sich chaotisch über die jeweilige Substratoberfläche bewegen und dabei auch lokale Sprünge vollzogen werden, so dass keine gleichmäßige, homogene Einflussnahme über die gesamte jeweils gewünschte Fläche des Substrats erreicht werden kann. Demzufolge werden bestimmte Flächenbereiche mehr durch die elektrische Bogenentladung beeinflusst und dabei ein deutlich höherer Stoffabtrag erreicht, als an anderen Flächenbereichen und es kann sogar vorkommen, dass Flächenbereiche einer Substratoberfläche von der elektrischen Bogenentladung vollständig unbeeinflusst bleiben, was selbstverständlich unerwünscht ist.It is known to treat surfaces of various electrically conductive substrates by means of electrical arc discharges. In this case, the respective substrate is usually connected as a cathode and the arc discharge is initiated by means of an anode held at a distance from the surface of the substrate. In the case of the known solutions, however, it is not or only with great difficulty possible to comply with the respective influence range of the electric arc discharge on the substrate surface in a defined manner or even to limit it. This is due to the fact that the focal spots or bases of the arc discharge move chaotically over the respective substrate surface and thereby also local jumps are performed, so that no uniform, homogeneous influence over the entire desired surface of the substrate can be achieved. Consequently, certain surface areas are more influenced by the electric arc discharge, thereby achieving a significantly higher material removal, than at other surface areas and it can even happen that surface areas of a substrate surface remain completely unaffected by the electrical arc discharge, which of course is undesirable.

Um diesem Problem entgegenzutreten, wurde versucht, durch den Einfluss von Magnetfeldern die elektrischen Bogenentladungen lokal gezielt zu beeinflussen. Hierfür ist aber ein sehr hoher Energiebedarf erforderlich, der sich selbstverständlich nachteilig auf den Gesamtwirkungsgrad auswirkt. Bei dieser Möglichkeit zur Einflussnahme besteht außerdem das Problem, dass eingekoppelte Magnetfelder in Substraten, die aus bzw. mit ferromagnetischen Werkstoffen gebildet sind, darin stark verzerrt werden und so eine gezielte lokale Beeinflussung der elektrischen Bogenentladungen nicht mehr möglich ist.To counteract this problem, it was attempted to locally influence the electrical arc discharges locally by the influence of magnetic fields. For this purpose, however, a very high energy demand is required, which of course adversely affects the overall efficiency. In this possibility of influencing there is also the problem that coupled magnetic fields in substrates which are formed from or with ferromagnetic materials, are strongly distorted therein and so a targeted local influence on the electric arc discharges is no longer possible.

Eine andere Alternative, um diesem Problem entgegenzutreten, ist die Erhöhung des Drucks. Dabei wird aber das Gas in der Umgebung der elektrischen Bogenentladungen stark angeregt oder ionisiert. Dies ist aber in den häufigsten Fällen ebenfalls unerwünscht.Another alternative to counteract this problem is to increase the pressure. However, the gas is strongly excited or ionized in the vicinity of the electrical arc discharges. However, this is also undesirable in the most common cases.

So sind aus DE 693 00 749 T2 und WO 98/22231 A1 jeweils eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, bei dem mittels zweier Elektroden eine Vakuum-Lichtbogenentladung zur Oberflächenbehandlung eingesetzt werden sollen.So are off DE 693 00 749 T2 and WO 98/22231 A1 In each case a device and a method are known in which by means of two electrodes, a vacuum arc discharge to be used for surface treatment.

Bei der aus JP 00H 09186135 A bekannten Technik ist in einer Elektrode eine Öffnung vorhanden. Außerdem sollen Kriechströme an der Oberfläche eines zu behandelnden Objektes genutzt werden.At the JP 00H 09186135 A known technique, there is an opening in an electrode. In addition, leakage currents are to be used on the surface of an object to be treated.

In DE 823 472 B ist eine Entladungsröhre mit Graphitanode beschrieben.In DE 823 472 B is described a discharge tube with graphite anode.

DE 10 2005 015 920 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für ein Hochleistungstarget mit geringem Gewicht. DE 10 2005 015 920 A1 relates to an apparatus and method for a low power, high performance target.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten zu schaffen, mit der in einfacher und kostengünstiger Form Verunreinigungen von Substratflächen entfernt oder solche Oberflächen modifiziert werden können, ohne dass es zu einer ungleichmäßigen Entfernung von Verunreinigungen oder Oberflächenmodifizierung über die Substratoberfläche kommt.It is therefore an object of the invention to provide ways in which removes impurities from substrate surfaces in a simple and cost-effective form or such surfaces can be modified without causing uneven removal of impurities or surface modification on the substrate surface.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Es kann mit einem Verfahren nach Anspruch 20 gearbeitet werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.According to the invention this object is achieved with an arrangement having the features of claim 1. It can be worked with a method according to claim 20. Advantageous embodiments and further developments can be achieved with features described in the subordinate claims.

Eine erfindungsgemäße Anordnung ist dabei so ausgebildet, dass elektrische Bogenentladungen, wie auch beim Stand der Technik, zwischen der jeweiligen Oberfläche des als Kathode geschalteten Substrats und einer in einem Abstand zum Substrat angeordneten Anode initiiert werden. Außerdem ist an der Anode ein im Inneren hohles Gehäuseelement vorhanden. Das Gehäuseelement kann aus einem dielektrischen Werkstoff gebildet sein und dadurch unmittelbar mit der Anode verbunden sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, ein Gehäuseelement an einer Anode vorzusehen, das von diesem elektrisch isoliert und mit der Anode verbunden ist. Das innen hohle Gehäuseelement bildet zwischen der Oberfläche des Substrats und der Anode einen Bearbeitungsraum für die Bogenentladung aus, so dass die elektrische Bogenentladung und der Fluss von Elektronen in seiner Fläche durch das Gehäuseelement begrenzt wird. Dabei liegt es auf der Hand, dass das Gehäuseelement zumindest in Richtung auf die Substratoberfläche eine entsprechende Öffnung aufweist.An arrangement according to the invention is designed such that electrical arc discharges, as in the prior art, are initiated between the respective surface of the substrate connected as a cathode and an anode arranged at a distance from the substrate. In addition, a hollow housing element is present at the anode inside. The housing member may be formed of a dielectric material and thereby be directly connected to the anode. But it is also possible to provide a housing element to an anode, which is electrically isolated from this and connected to the anode. The inside hollow housing member forms a processing space for the arc discharge between the surface of the substrate and the anode, so that the electric arc discharge and the flow of electrons in its surface is limited by the housing member. It is obvious that the housing element has a corresponding opening at least in the direction of the substrate surface.

Ein Gehäuseelement kann aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff (Metall), z. B. Aluminium, Eisen, aber auch aus einer bevorzugt elektrisch nicht leitenden Keramik gebildet sein. A housing member may be made of a non-ferromagnetic material (metal), for. As aluminum, iron, but also be formed from a preferably electrically non-conductive ceramic.

Für eine sinnvolle Entfernung von Verunreinigungen oder eine Modifizierung einer Substratoberfläche sind die Oberfläche des Substrats und die Anode gemeinsam mit dem Gehäuseelement relativ zueinander bewegbar, um dadurch einen deutlich größeren Oberflächenbereich beeinflussen zu können, als dies das Gehäuseelement eigentlich zulässt. Außerdem ist die Oberfläche des Substrats größer als die wirksame Anodenfläche und dies trifft auch in Verbindung mit der Öffnung des Gehäuseelements in Richtung auf die Substratoberfläche zu.For a meaningful removal of impurities or a modification of a substrate surface, the surface of the substrate and the anode are movable together with the housing member relative to each other to thereby affect a significantly larger surface area than the housing element actually allows. In addition, the surface of the substrate is larger than the effective anode area and this also applies in connection with the opening of the housing element in the direction of the substrate surface.

Dabei besteht die Möglichkeit, Anode mit Gehäuseelement allein, das Substrat allein oder Substrat und Anode mit Gehäuseelement gleichzeitig zu bewegen.It is possible to move the anode with housing element alone, the substrate alone or substrate and anode with housing element simultaneously.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung sollte zwischen der in Richtung der Oberfläche des Substrats weisenden Stirnfläche des Gehäuseelements und der Substratoberfläche ein Spalt eingehalten sein, so dass ein berührender Kontakt vermieden werden kann. Durch den dielektrischen Werkstoff oder die elektrisch isolierte Anordnung des Gehäuseelements an der Anode kann dieser Spalt relativ klein gehalten sein und lediglich einige wenige mm Spaltmaß aufweisen.In the arrangement according to the invention, a gap should be maintained between the end face of the housing element pointing in the direction of the surface of the substrate and the substrate surface, so that a contacting contact can be avoided. Due to the dielectric material or the electrically insulated arrangement of the housing element at the anode, this gap can be kept relatively small and have only a few mm gap.

Ein Gehäuseelement kann unterschiedliche geometrische Gestaltungen aufweisen und dabei auch an das jeweilige Substrat angepasst sein. So besteht die Möglichkeit, ein zylinderförmiges Gehäuseelement mit einer Anode bei der erfindungsgemäßen Anordnung einzusetzen. Es sind aber auch quadratische oder rechteckige Querschnittsformen geeignet. In jedem Fall sollte der freie Querschnitt innerhalb eines Gehäuseelements aber so begrenzt sein, dass die Nachteile des Standes der Technik durch die unkontrollierte Bewegung der elektrischen Bogenentladung vermieden werden können.A housing element can have different geometric configurations and can also be adapted to the respective substrate. Thus, it is possible to use a cylindrical housing element with an anode in the inventive arrangement. However, square or rectangular cross-sectional shapes are also suitable. In any case, however, the free cross section within a housing member should be limited so that the disadvantages of the prior art can be avoided by the uncontrolled movement of the electrical arc discharge.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann in Vakuumkammern, aber auch für Anwendungen im Durchlaufbetrieb eingesetzt werden.The arrangement according to the invention can be used in vacuum chambers, but also for applications in continuous operation.

Insbesondere im letztgenannten Fall ist es vorteilhaft, mindestens eine Anode senkrecht zu einer Vorschubrichtung des jeweiligen Substrats anzuordnen, das zumindest annähernd über die gesamte Breite der Substratoberfläche reicht, um möglichst die gesamte Substratoberfläche von Verunreinigungen zu befreien oder die Oberfläche modifizieren zu können. Bei größeren Substratbreiten besteht aber auch die Möglichkeit, mehrere Anoden in einer Reihenanordnung einzusetzen, wobei für jede einzelne Anode ein gesondertes Gehäuseelement, aber auch ein gemeinsames Gehäuseelement für alle Anoden vorhanden sein kann. Mehrere Anoden können aber auch in leicht zueinander versetzter Anordnung und dabei senkrecht zur Vorschubrichtung sich überlappend angeordnet sein.In particular, in the latter case, it is advantageous to arrange at least one anode perpendicular to a feed direction of the respective substrate, which extends at least approximately over the entire width of the substrate surface in order to free as much as possible of the entire substrate surface of impurities or modify the surface can. For larger substrate widths, however, it is also possible to use a plurality of anodes in a series arrangement, wherein a separate housing element, but also a common housing element for all anodes can be present for each individual anode. However, several anodes can also be arranged in a slightly staggered arrangement while being perpendicular to the feed direction overlapping.

Insbesondere bei einer, wie vorab erläuterten, Ausführungsform kann ein Gehäuseelement dann mit zwei in einem Abstand zueinander und senkrecht zur Vorschubrichtung ausgerichteten, plattenförmigen Elementen gebildet sein und dabei der Bearbeitungsraum im Spalt zwischen diesen beiden plattenförmigen Elementen ausgebildet ist.In particular, in one, as explained above, a housing element may then be formed with two spaced apart and perpendicular to the feed direction, plate-shaped elements and thereby the processing space is formed in the gap between these two plate-shaped elements.

Ein Gehäuseelement, insbesondere dann, wenn es nicht aus einem dielektrischen Werkstoff gebildet ist, muss nicht zwangsläufig geschlossene Wände aufweisen, sondern es können durchaus Durchbrechungen darauf ausgebildet sein oder ein Gehäuseelement als Faradayscher Käfig ausgebildet sein.A housing element, in particular if it is not formed from a dielectric material, does not necessarily have closed walls, but it can certainly be formed on openings or a housing element may be formed as Faraday cage.

Da infolge der Oberflächenbearbeitung häufig eine Verunreinigung an der Anode zumindest nicht vollständig vermieden werden kann, ist es vorteilhaft, eine mechanische Reinigungsvorrichtung vorzusehen, mit deren Hilfe die aktive Oberfläche einer Anode von solchen Verunreinigungen befreit werden kann. Dabei kann eine mechanische Reinigungseinrichtung solche Verunreinigungen von der Anodenoberfläche durch rein mechanischen Kontakt und Relativbewegung entfernen.Since as a result of the surface treatment often contamination can not be completely avoided at the anode, it is advantageous to provide a mechanical cleaning device, by means of which the active surface of an anode can be freed from such impurities. In this case, a mechanical cleaning device can remove such impurities from the anode surface by purely mechanical contact and relative movement.

Da sich eine Erwärmung während der Prozessführung nicht vermeiden lässt, sollte die eine oder auch mehrere Anode(n) gekühlt werden. Dies kann vorteilhaft durch eine geeignete Wasserkühlung erreicht werden.Since heating during process control can not be avoided, the one or more anode (s) should be cooled. This can be achieved advantageously by a suitable water cooling.

Graphit ist ein Werkstoff für Anoden. Graphit weist geeignete elektrische Eigenschaften auf und ist unter den herrschenden Bedingungen aus ausreichend thermisch stabil.Graphite is a material for anodes. Graphite has suitable electrical properties and is sufficiently thermally stable under the prevailing conditions.

Besonders vorteilhaft ist es aber, eine Anode, die mit einem Gradientenwerkstoff gebildet ist, einzusetzen. Dabei kann ein Gradientenwerkstoff so ausgebildet sein, dass seine Wärmeleitfähigkeit an der dem Substrat abgewandten Seite der Anode(n) vergrößert ist. Die Wärmeleitfähigkeit steigt daher ausgehend von der aktiven Anodenfläche bis zu der von dieser abgewandten Seite, ggf. bis zu einer Kühleinrichtung an, wobei ein kontinuierlicher Anstieg bevorzugt ist.However, it is particularly advantageous to use an anode which is formed with a gradient material. In this case, a gradient material may be formed such that its thermal conductivity is increased at the side of the anode (s) facing away from the substrate. The thermal conductivity therefore increases starting from the active anode surface up to the side facing away from it, if necessary up to a cooling device, a continuous increase being preferred.

Ein solcher Gradientenwerkstoff kann dabei Graphit sein, in dem Metall enthalten ist, wobei der Metallanteil in Richtung der dem Substrat abgewandten Seite ansteigen sollte. Durch das im Graphit enthaltene Metall ist auch eine erhöhte physikalische Dichte gegeben, die zu einer verbesserten Dichtheit für ein Kühlmittel, das durch einen Bereich der Anode geführt werden kann, führt.Such a gradient material may be graphite, in which metal is contained, wherein the metal content should increase in the direction of the side facing away from the substrate. By the in graphite The presence of metal is also given an increased physical density, which leads to an improved tightness for a coolant that can be passed through an area of the anode.

Die wirksame Anodenfläche sollte aber vollständig aus Graphit gebildet sein, um eine gleichmäßigere Verteilung der elektrischen Bogenentladung über die wirksame Fläche der Anode zu erreichen und einen bevorzugten punktförmigen Abbrand an der Anode zu vermeiden.The effective anode surface should, however, be formed entirely of graphite in order to achieve a more uniform distribution of the electric arc discharge over the effective area of the anode and to avoid a preferential punctiform erosion at the anode.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann außerdem vorteilhaft weitergebildet werden, indem mindestens eine Einrichtung zur Überwachung des erreichten Zustands an der jeweils bereits behandelten Oberfläche des Substrats vorhanden ist. Hierzu kann ein Gehäuseelement, das zumindest bereichsweise optisch transparent ist, bei einer optischen Überwachung eingesetzt sein. Dabei kann das Gehäuseelement vollständig aus einem optisch transparenten Werkstoff gebildet, aber auch mit optisch transparenten Fenstern versehen sein. Die optische Überwachung kann mit Hilfe einer Videokamera, vorteilhaft in Verbindung mit einer elektronischen Bildverarbeitung, mittels FTIR-Spektroskopie oder mittels Reflektometrie erfolgen.The arrangement according to the invention can also be developed advantageously by having at least one device for monitoring the state reached on the respectively already treated surface of the substrate. For this purpose, a housing element, which is at least partially optically transparent, be used in an optical monitoring. In this case, the housing element can be formed entirely from an optically transparent material, but also be provided with optically transparent windows. The optical monitoring can take place with the aid of a video camera, advantageously in conjunction with electronic image processing, by means of FTIR spectroscopy or by means of reflectometry.

Die Überwachung kann aber auch mittels Auswertung der elektrischen Bogenentladungsparameter erfolgen. So besteht die Möglichkeit, das Integral des elektrischen Stroms, der über vorgebbare Zeitintervalle geflossen ist, zu ermitteln, diese mit beispielsweise empirisch ermittelten Schwellwerten zu vergleichen und daraus auf den erreichten Zustand der jeweiligen Oberflächenbehandlung des Substrats schließen zu können.The monitoring can also be done by means of evaluation of the electrical arc discharge parameters. Thus, it is possible to determine the integral of the electric current which has flowed over predefinable time intervals, to compare them with, for example, empirically determined threshold values and to be able to deduce the achieved state of the respective surface treatment of the substrate.

Einer Überwachung kann aber auch durch die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit an der Substratoberfläche erfolgen. Dabei kann ein elektrisches Kontaktelement über die bereits behandelte Substratoberfläche geführt werden, was beispielsweise mittels eines Schleifkontakts oder einer elektrisch leitenden Andruckrolle bzw. einem ähnlichen Element möglich ist.However, monitoring can also be carried out by determining the electrical conductivity at the substrate surface. In this case, an electrical contact element can be guided over the already treated substrate surface, which is possible for example by means of a sliding contact or an electrically conductive pressure roller or a similar element.

Bei der Entfernung von Verunreinigungen oder einer Modifizierung von Substratoberflächen kann die elektrische Bogenentladung mit einer elektrischen Spannung im Bereich von 10 V bis 100 V und mit elektrischem Strom im Bereich von 10 A bis 50 kA, bevorzugt bis 10 kA, betrieben werden. Insbesondere bei höheren elektrischen Strömen ist es vorteilhaft, die Bogenentladung gepulst zu betreiben.In the removal of impurities or modification of substrate surfaces, the electric arc discharge can be operated with an electric voltage in the range of 10 V to 100 V and with electric current in the range of 10 A to 50 kA, preferably up to 10 kA. In particular, at higher electrical currents, it is advantageous to operate the arc discharge pulsed.

Bei der Durchführung des Verfahrens ist es vorteilhaft, einen Druck kleiner als 1000 Pa, bevorzugt kleiner als 100 Pa einzuhalten, was zumindest auf den Bearbeitungsbereich innerhalb des Gehäuseelements zutreffen sollte. Bei Verzicht auf ein Gehäuseelement kann auch bei deutlich höherem Druck, nämlich bei Drücken oberhalb von 1000 Pa, eine flächenmäßige Begrenzung der Bewegung der elektrischen Bogenentladung auf der jeweiligen Substratoberfläche erreicht werden.When carrying out the method, it is advantageous to maintain a pressure of less than 1000 Pa, preferably less than 100 Pa, which should apply at least to the processing area within the housing element. In the absence of a housing element, even at significantly higher pressure, namely at pressures above 1000 Pa, an areal limitation of the movement of the electric arc discharge on the respective substrate surface can be achieved.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch ein inertes Gas zumindest in den Bearbeitungsraum innerhalb des Gehäuseelements eingeführt werden, um unerwünschte chemische Reaktionen, die wiederum zu unerwünschten Verunreinigungen oder Ablagerungen führen könnten, zu vermeiden. Dabei ist es besonders günstig, ein Gasgemisch zuzuführen, das neben Stickstoff zusätzlich Wasserstoff enthält. Der Anteil an enthaltenem Wasserstoff sollte bei maximal 5%, bevorzugt bei 2%, gehalten sein.When carrying out the method according to the invention, an inert gas can also be introduced at least into the processing space within the housing element in order to avoid undesired chemical reactions, which in turn could lead to undesired impurities or deposits. It is particularly advantageous to supply a gas mixture which additionally contains hydrogen in addition to nitrogen. The proportion of hydrogen contained should be kept at a maximum of 5%, preferably at 2%.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of example in the following.

Dabei zeigen:Showing:

1 in schematischer Form ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung; 1 in schematic form an example of an arrangement according to the invention;

2 ein Beispiel einer Anordnung mit einer Reinigungseinrichtung unter Verzicht der Darstellung eines Gehäuseelements und 2 an example of an arrangement with a cleaning device waiving the representation of a housing element and

3 in schematischer Form eine ungesteuerte elektronische Bogenentladung nach dem Stand der Technik. 3 in schematic form an uncontrolled electronic arc discharge according to the prior art.

Bei dem in 1 gezeigten Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung ist ein relativ großflächiges, hier plattenförmiges, Substrat 1, das aus Stahl gebildet ist, vorhanden.At the in 1 shown example of an arrangement according to the invention is a relatively large area, here plate-shaped, substrate 1 Made of steel, available.

In einem Abstand zur Oberfläche des Substrats 1 ist eine zylinderförmige Anode 2, die mit Graphit gebildet ist und, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits angesprochen, auch Metall enthalten kann, angeordnet. An der Anode 2 ist ein Gehäuseelement 5 in Form eines Hohlzylinders von der Anode 2 elektrisch isoliert angebracht, so dass Anode 2 und Gehäuseelement 5 gemeinsam miteinander über die gesamte Oberfläche des Substrats bewegt werden können.At a distance to the surface of the substrate 1 is a cylindrical anode 2 , which is formed with graphite and, as already mentioned in the general part of the description, may also contain metal arranged. At the anode 2 is a housing element 5 in the form of a hollow cylinder from the anode 2 mounted electrically isolated so that anode 2 and housing element 5 can be moved together over the entire surface of the substrate.

Mit 6 sind mögliche Elektronenbahnen bei einer elektrischen Bogenentladung in 1 gezeigt, wobei der Elektronenfluss von Brennflecken 7 an der Substratoberfläche in Richtung auf die aktive Anodenfläche gerichtet ist.With 6 are possible electron orbits in an electric arc discharge in 1 shown, with the flow of electrons from focal spots 7 directed at the substrate surface in the direction of the active anode surface.

Das Gehäuseelement 5 ist bei diesem Beispiel aus einem Stahl gebildet, wobei die Wandstärke des Gehäuseelements 5 lediglich die thermischen Bedingungen, die bei der Durchführung des Verfahrens herrschen, berücksichtigen sollte.The housing element 5 is formed in this example of a steel, wherein the wall thickness of the housing element 5 only the thermal conditions prevailing in the implementation of the method should take into account.

Mit 2 soll eine Möglichkeit zur Entfernung von Verunreinigungen an der Anodenoberfläche verdeutlicht werden. Bei diesem Beispiel ist die Anode 2 als Vollzylinder, ggf. mit einer inneren Wasserkühlung versehen, ausgebildet, der um eine Achse rotieren kann, wie dies mit dem Pfeil angedeutet ist.With 2 a possibility for the removal of impurities on the anode surface should be clarified. In this example, the anode is 2 as a solid cylinder, possibly provided with an internal water cooling, formed, which can rotate about an axis, as indicated by the arrow.

Oberhalb der Anode 2, die bis auf die Rotationsbewegung statisch ist, kann das Substrat 1 translatorisch mit möglichst konstantem Abstand zur Anode 2 bewegt werden. Dabei sollte die Länge der Anode 2 in Richtung ihrer Rotationsachse zumindest annähernd der Breite des Substrats, senkrecht zur translatorischen Vorschubbewegung, entsprechen. Bei breiteren Substraten 1 können, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits angesprochen, auch mehrere Anoden 2 in einer Reihenanordnung eingesetzt werden.Above the anode 2 , which is static except for the rotational movement, may be the substrate 1 translational with as constant a distance to the anode 2 to be moved. It should be the length of the anode 2 in the direction of its axis of rotation at least approximately the width of the substrate, perpendicular to the translational feed movement correspond. For broader substrates 1 can, as already mentioned in the general part of the description, also several anodes 2 be used in a series arrangement.

Bei diesem Beispiel ist ein plattenförmiges Element, als mechanische Reinigungseinrichtung 3 vorhanden, dessen eine Stirnfläche in berührendem Kontakt zur Anodenoberfläche steht und durch die Rotationsbewegung der Anode 2 Verunreinigungen an deren Oberfläche mechanisch entfernt werden können. Anstelle eines plattenförmigen Elements kann aber auch eine mechanische Reinigungseinrichtung 3, die ähnlich wie eine Bürste ausgebildet ist, eingesetzt werden. Eine Reinigungseinrichtung kann aber nicht nur unterhalb der Anode 2, sondern auch seitlich neben der Anode 2 angeordnet sein, um zu vermeiden, dass die Verunreinigungen die eigentliche, zu behandelnde Substratoberfläche erreichen können. Bei dem Beispiel, wie es in 2 gezeigt ist, ist außerdem ein Behältnis 6 unterhalb der Anode 2 und der Reinigungseinrichtung 3 angeordnet, mit dem die mechanisch entfernten Verunreinigungen aufgefangen werden können.In this example, a plate-shaped element, as a mechanical cleaning device 3 present, one end face of which is in touching contact with the anode surface and by the rotational movement of the anode 2 Impurities on the surface can be mechanically removed. Instead of a plate-shaped element but can also be a mechanical cleaning device 3 , which is similar to a brush, can be used. However, a cleaning device can not only below the anode 2 but also laterally next to the anode 2 be arranged to prevent the impurities can reach the actual, to be treated substrate surface. In the example, as in 2 is shown, is also a container 6 below the anode 2 and the cleaning device 3 arranged, with which the mechanically removed impurities can be collected.

Eine Anordnung, wie sie in 2 gezeigt ist, kann selbstverständlich auch ein Gehäuseelement 5 aufweisen, das hier aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt ist. Ein Gehäuseelement 5 kann dabei mit zwei parallel zur Rotationsachse der Anode 2 ausgerichteten Platten gebildet sein, die zwischen Anode 2 und der Substratoberfläche angeordnet sind und ein Bearbeitungsbereich für elektrische Bogenentladungen im Spalt zwischen diesen plattenförmigen Elementen ausgebildet ist.An arrangement, as in 2 Of course, a housing element can also be shown 5 have, which is not shown here for reasons of clarity. A housing element 5 can with two parallel to the axis of rotation of the anode 2 aligned plates formed between anode 2 and the substrate surface, and an electric arc discharge processing region is formed in the gap between these plate-shaped members.

Mit 3 soll verdeutlicht werden, wie im Gegensatz zur erfindungsgemäßen technischen Lösung, die elektrischen Bogenentladungen ungesteuert über die gesamte Oberfläche des Substrats 1 erfolgen kann. Dabei ist eine Anode 2 ohne Gehäuseelement 5 in einem Abstand zur jeweiligen Oberfläche eines Substrats 1 angeordnet, das Substrat 1 als Kathode geschaltet und die elektrischen Bogenentladungen verlaufen unkontrolliert über die gesamte Oberfläche des jeweiligen Substrats 1 ab. Dabei sind die Elektronenbahnen 6, ausgehend von den Brennflecken 7, von der Substratoberfläche in 3 gezeigt. Es wird deutlich, dass der Verlauf vollständig unkontrolliert und chaotisch erfolgt. Somit wird die Oberfläche des Substrats 1 nicht in der eigentlich gewünschten Form gleichmäßig bearbeitet und insbesondere ein Stoffabtrag erfolgt an unterschiedlichsten Oberflächenbereichen in unterschiedlichster Form, was selbstverständlich nicht gewünscht ist.With 3 should be clarified, as in contrast to the technical solution according to the invention, the electric arc discharges uncontrolled over the entire surface of the substrate 1 can be done. This is an anode 2 without housing element 5 at a distance to the respective surface of a substrate 1 arranged the substrate 1 connected as a cathode and the electric arc discharges run uncontrolled over the entire surface of the respective substrate 1 from. Here are the electron orbits 6 , starting from the focal spots 7 , from the substrate surface in 3 shown. It becomes clear that the course is completely uncontrolled and chaotic. Thus, the surface of the substrate becomes 1 not uniformly processed in the actual desired shape and in particular a material removal takes place on a variety of surface areas in a variety of forms, which of course is not desirable.

Claims (30)

Anordnung zur Entfernung von Verunreinigungen oder Modifizierung von Oberflächen von Substraten mittels elektrischer Bogenentladung, bei der Bogenentladungen zwischen der jeweiligen Oberfläche des als Kathode geschalteten Substrats und einer in einem Abstand zum Substrat angeordneten Anode initiiert werden, wobei die Oberfläche des Substrats (1) und Anode (2) mit dem Gehäuseelement (5) relativ zueinander bewegbar sind, und dabei die Oberfläche des Substrats (1) größer als die wirksame Anodenfläche ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Anode (2) ein im Inneren hohles Gehäuseelement (5) elektrisch isoliert daran befestigt ist, mit dem Gehäuseelement (5) zwischen der Oberfläche des Substrats (1) und der Anode (2) ein Bearbeitungsraum für die Bogenentladung ausgebildet ist, mit dem die elektrische Bogenentladung und der Fluss von Elektronen in seiner Fläche begrenzt werden, und die Anode (2) mit Graphit gebildet ist.An arrangement for removing impurities or modifying surfaces of substrates by means of electrical arc discharge, in which arc discharges are initiated between the respective surface of the cathode-connected substrate and an anode arranged at a distance from the substrate, wherein the surface of the substrate ( 1 ) and anode ( 2 ) with the housing element ( 5 ) are movable relative to each other, while the surface of the substrate ( 1 ) is greater than the effective anode area, characterized in that at the anode ( 2 ) a hollow housing element inside ( 5 ) is mounted electrically isolated thereon, with the housing element ( 5 ) between the surface of the substrate ( 1 ) and the anode ( 2 ) is formed a processing space for the arc discharge, with which the electric arc discharge and the flow of electrons are limited in its surface, and the anode ( 2 ) is formed with graphite. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der in Richtung der Oberfläche des Substrats (1) weisenden Stirnfläche des Gehäuseelements (5) und der Substratoberfläche ein Spalt eingehalten ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that between the in the direction of the surface of the substrate ( 1 ) facing end surface of the housing element ( 5 ) and the substrate surface a gap is maintained. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseelement (5) zylinderförmig, mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt ausgebildet ist.Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the housing element ( 5 ) is cylindrical, formed with a square or rectangular cross-section. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseelement (5) aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff gebildet ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the housing element ( 5 ) is formed of a non-ferromagnetic material. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseelement (5) aus einem dielektrischen Werkstoff gebildet ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the Housing element ( 5 ) is formed of a dielectric material. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseelement (5) aus einem keramischen Werkstoff gebildet istArrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the housing element ( 5 ) is formed of a ceramic material Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine oder mehrere Anode(n) (2) in einer Reihenanordnung senkrecht zu einer Vorschubrichtung zumindest annähernd über die gesamte Breite der Substratoberfläche reicht/reichen.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least one or more anode (s) ( 2 ) in a row arrangement perpendicular to a feed direction extends at least approximately over the entire width of the substrate surface / rich. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseelement (5) mit zwei in einem Abstand zueinander und senkrecht zur Vorschubrichtung ausgerichteten plattenförmigen Elementen gebildet ist.Arrangement according to claim 7, characterized in that the housing element ( 5 ) is formed with two at a distance from one another and perpendicular to the feed direction aligned plate-shaped elements. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Anode (2) eine mechanische Reinigungseinrichtung (3) vorhanden ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at the anode ( 2 ) a mechanical cleaning device ( 3 ) is available. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode(n) (2), als ein um eine Achse rotierender Zylinder ausgebildet ist/sind.Arrangement according to claim 9, characterized in that the anode (s) ( 2 ) is formed as a cylinder rotating about an axis. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungseinrichtung (3) ein die Oberfläche der Anode(n) (2) mit einer Stirnfläche berührendes und parallel zur Rotationsachse ausgerichtetes plattenförmiges oder als Bürste ausgebildetes Element ist.Arrangement according to claim 9 or 10, characterized in that the cleaning device ( 3 ) the surface of the anode (s) ( 2 ) is in contact with an end face and oriented parallel to the axis of rotation plate-shaped or brush-shaped element. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Reinigungseinrichtung (5) und Anode(n) (2) seitlich neben oder vertikal unterhalb des Substrats (1) angeordnet sind.Arrangement according to one of claims 9 to 11, characterized in that cleaning device ( 5 ) and anode (s) ( 2 ) laterally beside or vertically below the substrate ( 1 ) are arranged. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode(n) (2) gekühlt ist/sind.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the anode (s) ( 2 ) is / are cooled. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode(n) (2) mit einem Gradientenwerkstoff, bei dem ein Metall im Graphit enthalten ist, gebildet ist/sind und dabei die Wärmeleitfähigkeit an der dem Substrat abgewandten Seite der Anode(n) (2) vergrößert ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the anode (s) ( 2 ) is formed with a gradient material in which a metal is contained in the graphite, and the heat conductivity at the side of the anode (s) facing away from the substrate ( 2 ) is enlarged. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallanteil ausgehend von der dem Substrat (1) zugewandten Seite ansteigt.Arrangement according to claim 14, characterized in that the metal portion starting from the substrate ( 1 ) facing side increases. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Anodenfläche vollständig aus Graphit gebildet ist.Arrangement according to one of claims 12 to 15, characterized in that the effective anode surface is formed entirely of graphite. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest innerhalb des Bearbeitungsraums ein Druck kleiner als 1000 Pa eingehalten ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least within the processing space a pressure of less than 1000 Pa is maintained. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Überwachung des erreichten Zustandes der Oberfläche des Substrates (1) vorhanden ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a device for monitoring the achieved state of the surface of the substrate ( 1 ) is available. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseelement (5) zumindest bereichsweise optisch transparent ist.Arrangement according to claim 20, characterized in that the housing element ( 5 ) is at least partially optically transparent. Verfahren zur Entfernung von Verunreinigungen oder Modifizierung von Oberflächen von Substraten mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem als Kathode geschalteten Substrat (1) und mindestens einer mit Graphit gebildeten Anode (2) elektrische Bogenentladungen gezündet und mit Fußpunkten der Bogenentladungen Verunreinigungen entfernt oder die Oberfläche modifiziert wird; dabei die Anode(n) (2) und das Substrat (1) relativ zueinander bewegt werden und die Bogenentladung mittels eines Gehäuseelements (5) zwischen Substratoberfläche und Anode(n) (2) innerhalb eines Bearbeitungsraums und auf einem begrenzten Oberflächenbereich des Substrats (1) gehalten wird.Method for removing impurities or modifying surfaces of substrates with an arrangement according to one of claims 1 to 21, characterized in that between a cathode connected substrate ( 1 ) and at least one anode formed with graphite ( 2 ) electrical arc discharges ignited and removed with bases of the arc discharges impurities or the surface is modified; while the anode (s) ( 2 ) and the substrate ( 1 ) are moved relative to each other and the arc discharge by means of a housing element ( 5 ) between substrate surface and anode (s) ( 2 ) within a processing space and on a limited surface area of the substrate ( 1 ) is held. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Bogenentladung mit einer elektrischen Spannung im Bereich 10 V bis 100 V und mit elektrischem Strom im Bereich von 10 A bis 50 kA betrieben wird.A method according to claim 20, characterized in that the electrical arc discharge with an electrical voltage in the range 10 V to 100 V and with electric current in the range of 10 A to 50 kA is operated. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Bogenentladung gepulst betrieben wird.A method according to claim 20 or 21, characterized in that the arc discharge is operated pulsed. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck < 1000 Pa eingehalten wird.Method according to one of claims 20 to 22, characterized in that a pressure <1000 Pa is maintained. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in den Bearbeitungsraum ein inertes Gas eingeführt wird.Method according to one of claims 20 to 23, characterized in that at least in the processing space, an inert gas is introduced. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in den Bearbeitungsraum N mit einem Anteil an Wasserstoff von maximal 5% eingeführt wird.A method according to claim 24, characterized in that N is introduced at least in the processing space with a proportion of hydrogen of not more than 5%. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der erreichte Zustand der Substratoberfläche mittels der elektrischen Bogenentladungsparameter überwacht wird.Method according to one of claims 20 to 25, characterized in that the reached state of the substrate surface is monitored by means of the electrical arc discharge parameters. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Integral des elektrischen Stromes ermittelt und damit der Zustand überwacht wird.A method according to claim 26, characterized in that the integral of the electrical current is determined and thus the state is monitored. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand der Oberfläche optisch überwacht wird. Method according to one of claims 20 to 27, characterized in that the state of the surface is optically monitored. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand mit einer Kamera, durch FTIR-Spektroskopie oder durch Reflektometrie überwacht wird.A method according to claim 28, characterized in that the state is monitored with a camera, by FTIR spectroscopy or by reflectometry. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand durch Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der Substratoberfläche mittels eines über die Oberfläche geführten elektrischen Kontaktelements überwacht wird.Method according to one of claims 20 to 27, characterized in that the state is monitored by determining the electrical conductivity of the substrate surface by means of an electrical contact element guided over the surface.

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